JPH11231610A - 帯電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 環境変化とくに湿度変化による帯電ローラの
抵抗値の変化により、感光ドラムの帯電量が変化するの
を防止するとともに、帯電ローラの抵抗値を任意に設定
可能にする。 【解決手段】 帯電ローラ１１を、導電性シャフト２１
と、導電性シャフト２１の周囲を覆うイオン伝導性の半
導電材料からなる中間層２２と、中間層２２の周囲を覆
い、カーボンおよびフィラーを分散した電子伝導性の保
護層２３とから構成する。帯電ローラ１１の保護層２３
を電子伝導性の材料から構成したので、帯電の際環境変
化があっても帯電ローラ１１の抵抗値が変化せず、感光
ドラムの帯電量を大きく変化させることはない。帯電ロ
ーラ１１の抵抗値の設定の容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、帯電ローラを有
し、帯電ローラにより感光体を帯電させる帯電装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子写真記録装置等において、感
光ドラムを帯電されるために帯電装置が用いられてい
る。こうした電子写真記録装置においては、まず帯電装
置により像担持体である感光ドラムを帯電し、露光手段
により感光ドラム表面に静電潜像を形成し、現像装置に
より静電潜像を現像し、転写装置により現像したトナー
像を記録用紙に転写し、転写されたトナー像は定着装置
により記録用紙上に定着し記録が行われる。帯電装置
は、導電性シャフトを半導電性ゴムで覆い、さらにその
周りを保護層で覆った帯電ローラを有し、この帯電ロー
ラを感光ドラムに一定のテンションで圧接し、導電性シ
ャフトにマイナスの電圧を印加することにより、半導電
性ゴムおよび保護層を介して感光ドラムに一定電位を帯
電させるようにしている。

【０００３】トナー画像が転写された後の感光ドラム表
面には、転写されなかったトナーが微量ながら残留する
が、最近ではこの残留トナーを現像装置内へ戻す方式が
行われている。こうしたクリーニングレス方式では、感
光ドラム表面上のトナーが帯電ローラに付着する。そこ
で帯電ローラ表面の保護層をトナーが付着しにくい材質
のものにし、帯電ローラから感光ドラムへトナーが移動
しやすいようにしている。付着しにくい保護層の材質と
して、例えばナイロン樹脂やウレタン樹脂、あるいは弗
素系樹脂が用いられている。

【０００４】また帯電装置は、帯電ローラにマイナスの
直流電圧を印加して帯電ローラと感光ドラムとの間の微
笑空隙の放電により感光ドラムを帯電するので、帯電ロ
ーラの半導電性ゴムは、放電により発生するオゾンと反
応する表面酸化現象や高電圧による絶縁破壊等に強いイ
オン伝導性ゴム材料が主に用いられている。イオン伝導
性ゴム材料は、一般に、電圧依存性（印加される電圧あ
るいは電流によりゴム材の抵抗値が変化すること）が小
さく、そのためこうしたイオン導電性ゴム材料が使用さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の帯
電装置においては、帯電ローラの半導電性ゴム層がイオ
ン伝導性材料であるので、環境変化、とくに湿度変化に
より帯電ローラの抵抗値が大きく変化する。帯電ローラ
の抵抗値が変化すると、感光ドラムの帯電量が変化す
る。帯電ローラの保護層がイオン伝導性材料であれば、
感光ドラムの帯電量はさらに大きく変化する。

【０００６】また、帯電ローラの半導電性ゴム層にイオ
ン伝導性を持たせるためには、高分子材料とイオン材料
とを化学結合させる必要がある。イオン伝導というの
は、イオンが高分子材料との結合部を変えながら移動す
ることにより伝導性を持たせることである。したがって
使用するゴム材料の種類や量により含有できるイオン材
料の種類や量が制限され、任意の抵抗値を有する半導電
性ゴム材料が得られないという問題もあった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、電圧を印加した帯電ローラにより感光体を
帯電する帯電装置において、前記帯電ローラは、導電性
シャフトと、前記導電性シャフトの周囲を覆うイオン伝
導性の半導電材料からなる中間層と、前記中間層の周囲
を覆う、カーボンまたは導電性フィラーを分散した電子
伝導性の保護層とから構成されることを特徴とする。

【０００８】上記構成の本発明によれば、帯電ローラの
保護層を電子伝導性の材料から構成したので、帯電の際
環境変化があっても帯電ローラの抵抗値が変化せず、感
光ドラムの帯電量を大きく変化させることはない。また
保護層をカーボンやフィラーを添加することにより形成
するので、抵抗値の設計が容易となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にしたがって説明する。なお各図面に共通する要素には
同一の符号を付す。図１は本発明の第１の実施の形態の
帯電ローラを示す断面図、図２は本発明に係る帯電装置
を使用する画像形成装置を示す説明図である。まず図２
を用いて画像形成装置について説明する。

【００１０】図２において、画像形成装置には、帯電装
置１、感光ドラム２、露光装置３、現像装置４、転写ロ
ーラ５およびクリーニングローラ６が設けられている。
帯電装置１は、帯電ローラ１１とこの帯電ローラ１１を
感光ドラム２に一定のテンションで圧接するスプリング
１２および直流電源１３を具備している。直流電源１３
は帯電ローラ１１に所定値のマイナス電圧を印加する。
露光装置３は感光ドラム２の表面に対して印刷データに
応じた光を照射して静電潜像を形成する。現像装置４
は、現像ローラ１４、供給ローラ１５および現像ローラ
１４に圧接した現像ブレード１６を有し、感光ドラム２
上の静電潜像にトナー１７を付着させて現像を行う。転
写ローラ６は、感光ドラム２上のトナー像を記録用紙１
８上に転写させる。またクリーニングローラ６は、転写
後に感光ドラム２上に残った残留トナーを一旦感光ドラ
ム２から掻き落とし、再度微量ずつ感光ドラム２表面に
付着させる。これにより感光ドラム２の回転を利用して
残留トナーを現像装置４へ回収させるのである。

【００１１】図１において、帯電ローラ１１は、導電性
シャフト２１、導電性シャフト２１の周囲を覆う中間層
２２および中間層２２の周囲を覆う保護層２３とから構
成される。中間層２２はイオン伝導性を有する半導電性
ゴムで形成されており、その抵抗値は環境変化（湿度変
化）により影響されないようにできるだけ低く設定され
ている。中間層２２の抵抗値が高いと、帯電ローラ１１
での電圧降下が大きくなり、帯電ローラ表面に供給され
る電荷が小さくなるので、感光ドラム２側への電荷注入
（帯電力）が小さくなるが、逆に中間層２２の抵抗値が
低いと、感光ドラム２側への電荷注入が大きくなり安定
する。

【００１２】保護層２３は帯電ローラの表面に付着する
トナーから中間層２２を保護するもので、保護層２３自
体もトナーが付着しずらいウレタン系樹脂材料と使用す
べくカーボンや導電性フィラーを添加している。ウレタ
ン系樹脂材料は、液状のウレタンを硬化剤により硬化さ
せたもので、微量イオンの添加や吸湿等によりもともと
中抵抗域の特性を持たせてある。つまりウレタン系樹脂
材料は、環境の変化、特に湿度の変化により抵抗値が変
化するので、そのまま用いると帯電ローラ１１の抵抗値
変化を惹起こす。そこで本実施の形態では、ウレタン樹
脂中にカーボンや導電性フィラー等を添加して電子伝導
により導電性を持たせることにより、湿度変化による抵
抗値の変化をなくすようにしたのである。

【００１３】またウレタン樹脂中にカーボンや導電性フ
ィラーを適量添加することにより抵抗値の設定を極めて
容易に行うことができる。ウレタン樹脂中にイオンを添
加した場合は抵抗値を調整することは極めて困難であっ
た。高分子中のイオン伝導は、高分子材料にアルカリ金
属塩を添加し、解離したイオンが高分子鎖（エーテル酸
素）と化学結合し、イオンが高分子材料との結合部を変
えることで電界方向に移動し、伝導性をもつようにした
ものである。イオンの移動は誘電率の高い高分子ほど高
い伝導性を示す特性がある。誘電率が高いとイオンの数
が増えるためである。そのため比較的誘電率の低いウレ
タン樹脂中にイオンをより多く添加するためには、少な
くとも有機溶媒（ポリオール中の低分子オリゴマー等）
の添加が必要である。しかし、こうした有機溶媒の添加
は、硬化性がなくなること、及び感光ドラムと化学反応
してしまうことから、実質的に採用できない。このよう
な理由から、ウレタン樹脂中にイオンを添加して導電性
を調整することは極めて困難であったのである。

【００１４】図３は第１の実施の形態の帯電ローラと他
の帯電ローラとの帯電特性の実験結果を示すグラフであ
る。図において、（ａ）は第１の実施の形態の帯電ロー
ラ１１の特性を示し、（ｂ）は、中間層は第１の実施の
形態の帯電ローラ１１と同様に半導電ゴムであるウレタ
ンゴムで構成され、保護層はない帯電ローラの特性を示
し、（ｃ）は、中間層は半導電ゴムとしてシリコンゴム
を使用し、保護層はない帯電ローラの特性を示す。なお
（ａ）と（ｂ）のウレタンゴムへのイオン添加材料は、
リチウムまたはナトリウムである。

【００１５】図３は帯電ローラへの印加電圧と感光ドラ
ムの帯電量との関係、即ち、帯電特性を示す。実施の形
態の帯電ローラは、（ａ）に示すように、印加電圧が−
５５０Ｖから帯電を開始し、その後印加電圧の大きさに
比例して感光ドラムの帯電量が増加する特性、即ち、放
電により帯電特性を示している。また保護層のないウレ
タンゴムの帯電ローラは、（ｂ）に示すように、印加電
圧のかなり低い段階から帯電が開始されている。さらに
保護層がなくシリコンゴムの帯電ローラは、（ｃ）に示
すように、（ａ）と（ｂ）の中間の特性を示している。

【００１６】図４は環境を変えた場合の帯電特性を示す
グラフである。図において、環境として湿度と温度を考
える。また図で実線は湿度５０％、温度２０度Ｃの場合
を示し、破線は湿度２０％、温度１０度Ｃの場合を示し
ている。各サンプル（ａ）、（ｂ）、（ｃ）とも低湿度
になると、帯電ローラの抵抗値が上昇すること、および
帯電ローラと感光ドラムとの間の空隙の抵抗の上昇とに
より、帯電量が低下する。とくに（ｂ）は低下の幅が大
きい。

【００１７】図５は帯電ローラと感光ドラムとの周速比
（回転速度比）を変えた場合の帯電特性を示すグラフで
ある。図において、実線は帯電ローラと感光ドラムの周
速比が１：１．３の場合を示し、破線は帯電ローラと感
光ドラムの周速比が１：１の場合を示している。図から
見ると、（ａ）は周速比が変化しても帯電特性はほとん
ど変化していないのに対して、（ｂ）、（ｃ）は大きく
変化している。帯電ローラと感光ドラムとの間に周速差
を持たせると、保護層のない帯電ローラは、（ｂ）、
（ｃ）に示すように、いずれも帯電量が増加していると
いうことは、放電による帯電以外に感光ドラムに電荷が
注入されるからであると考えられる。こうした放電以外
の電荷の注入は、電源から供給される電荷が帯電ローラ
と感光ドラムとの接触部から直接注入される場合と、両
ローラ間の摩擦により発生する電荷が感光ドラムに注入
される場合とが考えられる。

【００１８】図４から、（ｃ）のシリコンゴムの帯電特
性が環境変化によってもほとんど変化していないこと、
また（ｂ）のウレタンゴムの帯電特性が環境変化によっ
て大きく変化していること、および図５における周速比
の有無の結果から次のことが言える。

【００１９】まず（ｃ）のシリコンゴムは、感光ドラム
との周速差を無くすことでほぼ本実施の形態の帯電ロー
ラと同じ帯電特性になることから、感光ドラムへの電荷
注入は摩擦帯電のみによるものと考えられる。また、
（ｂ）のウレタンゴムの電荷注入は、摩擦帯電と感光ド
ラムとの接触部での印加電圧による電荷注入の両方であ
ると考えられる。図５から、周速差のない状態で（ｂ）
が（ａ）と（ｃ）に対して差があることは、（ｂ）では
接触部からの電荷注入があることを意味している。また
（ｂ）のウレタンゴムと（ｃ）のシリコンゴムとで感光
ドラムとの摩擦力を比較した場合、表面の摩擦力は図６
に示す簡易測定器で測定すると、（ｂ）のウレタンゴム
の方が小さい。図６については後述する。しかし（ｂ）
のウレタンゴムの方が（ｃ）のシリコンゴムに較べて周
速差の有無での帯電特性の差が大きいのは、感光ドラム
との接触が点接触から線接触となり、実質的に接触面積
が増加したためと考えられる。

【００２０】また図４において、（ｂ）のウレタンゴム
が湿度変化により、（ａ）、（ｃ）よりも帯電特性が大
きく変化するのは、湿度によりウレタンゴムの電気伝導
度（抵抗値）が大きく変化し、そのため接触部からの電
荷注入量が大きく変化するためであると考えられる。ま
た湿度により帯電特性が変化する原因として、感光ドラ
ムとの摩擦力が変化することも挙げられる。

【００２１】いずれの場合にしても、摩擦帯電や接触部
からの電荷注入現象が存在すると、環境や接触部の表面
状態（例えば、トナーの付着状態による摩擦力の変化や
接触状態の変化など）の影響を受けやすく、安定した帯
電を行うことができない。特に、接触部からの電荷注入
は、ウレタンゴムである帯電ローラの表面がイオン伝導
性の電気的に密な状態である場合に発生すると考えられ
る。即ち、表面をカーボンまたはフィラー等を用いた電
子伝導による材料とすることにより、接触部からの電荷
注入現象は発生しない。また摩擦帯電現象は、基本的に
感光ドラムとの摩擦力が存在すると発生するので、帯電
ローラの表面を硬化させるか、表面材料を樹脂やチュー
ブのような材料を用いるとよいわけである。

【００２２】本実施の形態で、中間層をイオン伝導の半
導電性ゴムとし、保護層をカーボンやフィラー等を添加
した電子伝導の半導電性材料にしたことにより、接触部
からの電荷注入現象の発生、および摩擦帯電現象の発生
を防止することができるのである。

【００２３】また帯電ローラ１１の保護層２３をカーボ
ンまたはフィラー等を添加した電子伝導の半導電性材料
にしたことにより、保護層２３の抵抗値の調整が極めて
容易になる。

【００２４】図６は摩擦力の簡易測定器を示す説明図で
ある。図６において、測定する帯電ローラ３１を滑り台
３２の上に置き、滑り台３２を矢印方向に一定の速度で
点線で示すように引き上げる。そして帯電ローラが滑り
台３１上を滑り始める角度（滑り角）を測定する。測定
するウレタンゴムの帯電ローラの質量はシリコンゴムの
帯電ローラの質力とほぼ同じであるので、測定した滑り
角が摩擦力を決定するパラメータとなる。即ち、摩擦力
は滑り角の関数として、摩擦力＝ｆ（滑り角）、のよう
に表すことができる。

【００２５】次に本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図７は第２の実施の形態の帯電ローラを示す断面図
である。図７において、第２の実施の形態の帯電ローラ
４１は、導電性シャフト４２、中間層４３および保護層
４４とから構成される。導電性シャフト４２はローラ部
を構成する中央部が太くなっている。中間層４３は導電
性シャフト４２の中央部を覆っており、また、第１の実
施の形態のそれと同様に、イオン伝導性のウレタンゴム
から成っているが、その厚さを薄くしてある。保護層４
４は、中間層４３の周囲を覆っており、第１の実施の形
態のそれと同様に、カーボンや導電性フィラーを用いた
電子伝導性を有するウレタン樹脂から成っている。

【００２６】帯電ローラの中間層の材料として使用され
るイオン伝導性の材料は、前述したように、電圧依存性
が小さく、また放電による絶縁破壊やゴム材の酸化が防
止できる等の利点を有するが、環境特に湿度の変化によ
り抵抗値が変化するという問題がある。第２の実施の形
態では、イオン導電性の中間層４３を薄くすることによ
り、抵抗値の変化を小さくした。

【００２７】中間層４３は、帯電ローラと感光ドラムと
を確実に接触させることを主要な役割としており、その
他の役割としては、中抵抗域の導電性を持たせることに
より感光ドラム上のピンホール等への電流の漏れを防止
する役割を担っている。したがって、中間層４３は、一
定の抵抗値を持つことと感光ドラムへの確実な接触を維
持することができればその役割を果たせるわけであり、
その役割を果たせる限りで最小の厚さにしたのが第２の
実施の形態の中間層４３である。これにより環境変化に
よる抵抗値の変化を最小限に抑えることができる。

【００２８】図８は帯電ローラの中間層の厚さを変化さ
せた場合の各環境における帯電ローラの抵抗値の変化を
示したものである。図８において、常温や高温高湿で
は、イオン伝導性である中間層の抵抗値は小さく、保護
層の抵抗値の方が充分大きくなり、帯電ローラとしての
抵抗値の変化はほとんどない。しかしながら低湿環境下
では、中間層の抵抗値が大きくなり、帯電ローラの抵抗
値は中間層の厚さが厚くなるほど大きくなる。

【００２９】図８のグラフからすると、帯電ローラの抵
抗値は中間層の厚さが薄ければ薄いほど変化の程度は小
さくなり、前述したように、中間層の薄さの限界は感光
ドラムとの接触が確実に行えることで決定されるが、画
像形成装置においては、感光ドラムと周速差を持って回
転していること、また製造時（研磨時）のゴム部の振れ
公差等から、中間層の厚さは約０．２〜１ｃｍ程度が適
当である。しかしながらこの値より大きめの値、例えば
１．５ｃｍ程度にしても問題はない。

【００３０】画像形成装置においては、帯電ローラ以外
にも現像ローラや転写ローラ等、導電性ゴムを用いたロ
ーラが多く使用されている。こうした導電性ローラは、
通常中抵抗域のイオン伝導の半導電性ゴムを用いている
ので、帯電ローラと同様に、環境変化による抵抗値の変
化により電気的特性が変化するという問題がある。第２
の実施の形態はこうした問題に対して一つの解決策を与
えるものである。

【００３１】次に本発明の第３の実施の形態を説明す
る。図９は第３の実施の形態の帯電ローラを示す断面図
である。第３の実施の形態の帯電ローラ５１は、導電性
シャフト５２、中間層４３および保護層４４とから構成
される。導電性シャフト５２はローラ部を構成する中央
部が太くなっており、中央部の内側は空洞部５３になっ
ている。導電性シャフト５２は、材料強度、製造効率
（価格、成形性等）および酸化や感光ドラムとの反応を
防止するという観点から、ＳＵＳ−３０４ＢやＳＵＳ−
３０３Ｂが用いられている。中間層４３および保護層４
４は前記第２の実施の形態のものと同様である。

【００３２】帯電ローラの外径値は、主に装置本体の大
きさ（特に感光ドラムの大きさ）、回転速度、画像形成
装置の寿命等により決定される。そのため帯電ローラ
は、静止させたまま長期に亘って放置すると、帯電ロー
ラを感光ドラム側に圧接するスプリングによる圧接力や
導電性シャフトの自重による圧力等により、中間層が遡
性変形を起こし、感光ドラムに対して均一に接触できず
に帯電不良を起こすことがある。また導電性シャフトの
自重が大きくなると、中間層のゴムが劣化してくること
がある。

【００３３】第３の実施の形態では、導電性シャフト５
２に空洞部５３を設けたことにより、導電性シャフト５
２自体を軽量化したので、中間層の遡性変形およびゴム
の劣化という問題が解決される。空洞部５３の径は、使
用する中間層である半導電性ゴムの材料、厚さ、帯電ロ
ーラの径、回転速度、及び製造上の効率（価格、成形
性、作業性等）により決定すればよいが、本実施の形態
では、導電性シャフト５２の厚さは１〜２ｍｍ以上に設
定するとよい。

【００３４】導電性シャフト５２を軽量化するのには、
材料そのものを変更して軽量化することも考えられる
が、この場合使用する材料は上述した問題点のないもの
を選択する必要がある。

【００３５】また画像形成装置においては、帯電ローラ
以外にも現像ローラや転写ローラ等、導電性ゴムを用い
たローラが多く使用されている。こうした導電性ローラ
は、自重により半導電性ゴムが押されて遡性変形した
り、自重により回転時の振れが大きくなったり、装置全
体の重量が大きくなったりするという問題があるが、本
実施の形態の空洞部を設けた導電性シャフトは、こうし
た問題に対して一つの解決策を与えるものである。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、帯電ローラを、導電性シャフトと、導電性シャフト
の周囲を覆うイオン伝導性の半導電材料からなる中間層
と、中間層の周囲を覆い、カーボンおよびフィラーを分
散した電子伝導性の保護層とから構成されるようにした
ので、帯電の際環境変化があっても帯電ローラの抵抗値
が変化せず、感光ドラムの帯電量を大きく変化させるこ
とはないという効果が得られるとともに、抵抗値を任意
に設定することが容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の帯電ローラを示す断面図で
ある。

【図２】画像形成装置を示す説明図である。

【図３】帯電特性の実験結果を示すグラフである。

【図４】環境を変えた場合の帯電特性を示すグラフであ
る。

【図５】周速比を変えた場合の帯電特性を示すグラフで
ある。

【図６】摩擦力の簡易測定器を示す説明図である。

【図７】第２の実施の形態の帯電ローラを示す断面図で
ある。

【図８】中間層の厚変化による抵抗値変化を示すグラフ
である。

【図９】第３の実施の形態の帯電ローラを示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 帯電装置 ２ 感光ドラム １１ 帯電ローラ ２１ 導電性シャフト ２２ 中間層 ２３ 保護層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 礒田 雅夫 東京都港区芝浦４丁目11番地22号 株式会 社沖データ内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電圧を印加した帯電ローラにより感光体
   を帯電する帯電装置において、 前記帯電ローラは、 導電性シャフトと、 前記導電性シャフトの周囲を覆うイオン伝導性の半導電
   材料からなる中間層と、 前記中間層の周囲を覆う電子伝導性の保護層とから構成
   されることを特徴とする帯電装置。
2. 【請求項２】 前記電子伝導性の保護層はカーボンまた
   は導電性フィラーを分散した請求項１記載の帯電装置。
3. 【請求項３】 前記中間層の厚さを感光体との接触を保
   つのに必要なだけの厚さにした請求項１記載の帯電装
   置。
4. 【請求項４】 前記導電性シャフトは、前記中間層に覆
   われた部分の内側を空洞にした請求項３記載の帯電装
   置。